Optische Sensoren (Sensoren III)

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1 Optische Sensoren (Sensoren III)
Elektronisch messen, steuern und regeln

2 Optische Sensoren Gesucht sind physikalische Gesetze, die Licht mit elektrischen Eigenschaften verknüpfen. Lösung: PHOTO-EFFEKT Photo-Effekt in Metallen Halbleiter-Effekte -

3 Photo-Effekt in Metallen
Entdeckung durch H. Hertz 1887 Erklärung durch A. Einstein 1905 -

4 Lichtstärke Einheit: 1 lux = 1.46 mW /m2 Zur Vorstellung:
Sonne im Sommer:100‘000 lux Glühbirne in 1m Abstand: 120 lux

5 Photo-Multiplier

6 Halbleiter und Photonen
Halbleiter besitzen nur wenige freie Ladungsträger. Durch Absorption von Photonen können Valenzelektronen ins Leitungsband gehoben werden. Damit erhöht sich die Leitfähigkeit unter Bestrahlung.

7 Halbleiter-Struktur Si Si Si
Valenzelektronen können durch einen Energieschub von 0,67 eV ins Leitungsband gehoben werden ! - - - - - Si Si Si - - - - - - - Si Si Si - - - -

8 (Hochreines Germanium)
Si - + Si - Bei Raumtemperatur r=0,70Wm (Hochreines Germanium)

9 Energie-Vergleich 3kT/2 = 0,025 eV Ionisierungsenergie E=0,67 eV
Hohe Leitfähigkeit kommt von Gitterstörungen und Fremdatomen (Dotierung).

10 Donatoren Si Si Si Zusätzliche negative Ladungsträger n-dotiert Si As

11 Akzeptoren Si Si Si Zusätzliche positive Ladungsträger p-dotiert Si Ga

12 Photowiderstand

13 Einfluss von Photonen + - + - + - + - + - s=e(nmn+pmp) + - + M - M U

14 pn-Übergang a) p n E p b) n p c) n
+ - + + + + - - - - + + - + - + - - + a) Die freien Ladungsträger diffundieren thermisch durch den Halbleiter. b) Durch Diffusion in die fremddotierte Region entstehen lokale Raumladungen an der Grenzschicht (Raumladungszone) und damit ein elektrisches Feld von n nach p c) Durch Rekombination in der Raumladungszone verarmt diese an freien Ladungsträgern. E p b) + - n + + - + + - + + - - - + - + + + - - + + - + - + - - p c) n + + - + + + - - + + - - + - + - Raumladungszone = Verarmungszone

15 p n U - + pn-Übergang p n U - + p n U - +

16 Einfluss von Photonen p n a)
- + a) Einfluss von Photonen Elektron-Lochpaare, die in der Raumladungszone entstehen, werden getrennt. Es entsteht eine extern messbare Spannung. Dieser Prozess endet, wenn das durch die getrennten Ladungen erzeugte Feld das Diffusionsfeld kompensiert. p b) + n + - - + - - - + + + + + + - - - + - - + + - - + + + + - - - - - + + - - + + + -

17 pin-Dioden + - p n U Raumladungszone E Feldverlauf

18 Diodenkennlinie bei Beleuchtung

19 Empfindlichkeit

20 Ersatzschaltbild Photostrom typischerweise 0.1 mA / lx
Unabhängig von der Angelegten Spannung. Leerlaufspannung bei Beleuchtung ca. 0,5 V

21 Optokoppler Leuchtdiode-Photosensor Strecke ermöglicht Signalübertragung durch eine galvanische Trennung auf schwebendes Potential. Emission a ILED, Iphoto a Übersetzungsverhältnis des Stroms: a = Ia/Ie weitgehend konstant

22 Anwendungen Verhinderung von Erdschlaufen und magnetischer Einstreuung (Cross Talk) Fiberoptik Infrarot-Fernsteuerung (z. B. TV) Galvanische Trennung bei Hochspannungsanlagen

23 Realisierung eines Optokopplers

24 Charge Coupled Devices CCD

25 Photo-Transistor Funktionsweise analog zur Photo-Diode. Erzeugung des Basisstroms durch Photo-Effekt.

26 Digitale Anwendungen

27 Schmitt Trigger Wie macht man auf intelligente Weise ein digitales Signal ? Bei nur einem Schwellenwert kann es zu „flackern“ in der Nähe der Schwelle kommen. Lösung durch zwei verschiedene Schwellenwerte mit Hysterese.

28 Winkel-Geber Differentielle Winkelmessung 1 1 1

29 Phasengleiche Lichtschranken auf zwei Kreisen
Differentielle Winkel-messung mit binärem Code definiert Richtung: 01 10 11

30 Der Gray-Code 0 0000 1 0001 2 0011 3 0010 4 0110 5 0111 6 0101 7 0100 8 1100 9 1101 Nicht-intuitive binäre Kodierung von natürlichen Zahlen mit der Eigenschaft, dass sich bei (zyklisch) aufeinanderfolgenden Zahlen jeweils genau ein Bit ändert. Verhindert bei Flügelrädern die Probleme, welche sich durch Ungenauigkeiten ergeben.

31 Anwendungen Computer-Maus Motor-Feedback (Schrittmotor-Kontrolle)